CN116181525B - 一种增强燃油喷雾特性和化学活性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强燃油喷雾特性和化学活性的装置及方法，所述装置包括一个凹腔稳定器、若干直射喷嘴和若干圆角矩形滑动弧放电激励器；所述圆角矩形滑动弧放电激励器按照设定位置安装于凹腔稳定器，通过改变圆角矩形滑动弧放电激励器所连接电源的电压和频率，可获得燃油粒径相对最小和气态组分含量相对最高的频率及电压参数。从而获得增强凹腔稳定器燃油喷雾特性与化学活性的最优方案。本发明公开的增强凹腔稳定器燃油喷雾特性和化学活性的装置及方法，在不显著改变燃烧室结构的前提下，利用等离子技术可以显著的增强低温低压条件下的凹腔稳定器的燃油喷雾特性与化学活性。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，更具体的说是涉及一种增强燃油喷雾特性和化学活性的装置及方法。
背景技术
由于具有全球快速达到、临近空间便捷进出的优势，临近空间高速飞行器已经成为各国争先抢占的战略性技术。对于临近空间高速飞行器而言，无论是执行加速型任务还是执行巡航型任务，都要求其动力系统具有高比冲、宽速域、大推重比、高作战效费比且可重复使用的性能。针对于此，传统的单一动力形式显然不能满足这样的应用需求，而组合循环动力技术则相对更为便捷实用。其中，涡轮冲压组合循环发动机(TBCC)由于低风险、低成本且研发周期短，最接近实际应用，更符合大气层内临近空间远程高速飞行器的动力需求。
目前，TBCC发动机模态转换的飞行马赫数区间为2-3，此区间内存在涡轮与冲压发动机的推力衔接不上的现象，即典型的“推力陷阱”。产生此现象的本质原因在于两类发动机的工作包线(马赫数)重叠区间太小，导致推力无法平稳过渡。因此，降低冲压发动机起动与稳定工作的马赫数下限，对实现快速模态转换、提升模态转换区间发动机性能具有重大的意义。低飞行马赫数下，冲压燃烧室的进口总温和总压较低，进口马赫数较高。而低温低压条件下煤油雾化质量下降，蒸发、混合和化学反应速率也会降低，导致燃油粒径会显著增大，最小点火能相应的也显著增加，火焰传播速度明显降低，导致冲压燃烧室点火极其困难。因此，将冲压发动机点火起动的速度下边界拓宽至3马赫以下是解决“推力陷阱”问题的有效途径，进一步拓宽模态转换的速度范围，将大幅缩短冲压流道的冷流通流时间，提高冲压燃烧室的工作效率，减阻增推，从而提高飞行器在模态转换过程中的加速性。
但是，在现有技术条件下，冲压燃烧室在低工况条件下很难可靠点火并正常工作，例如：传统的燃油喷雾特性增强技术(如气泡雾化喷嘴等)，其不仅结构复杂、体积和重量相对较大，还无法改变燃油的化学活性；传统的燃油化学活性增强方法(如添加低温点火辅助剂等)也很难显著改变燃油的喷雾特性。相对于传统的燃油喷雾特性与化学活性增强方法，等离子体技术具有激励器结构简单、控制频带宽、化学活性高等突出优势，能够在不显著改变燃烧室结构的前提下，改善燃油的喷雾特性与化学活性，进而提升点火特性及燃烧效率。
因此，如何利用等离子体技术以改善冲压燃烧室在低温低压条件下的燃油喷雾特性与化学活性，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种增强燃油喷雾特性和化学活性的装置及方法，可以在不显著改变燃烧室结构的前提下，利用等离子技术增强低温低压条件下的凹腔稳定器的燃油喷雾特性与化学活性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种增强燃油喷雾特性和化学活性的装置，包括：
一个凹腔稳定器、若干直射喷嘴和若干圆角矩形滑动弧放电激励器；
所述凹腔稳定器包括凹腔稳定器上游凸部，凹腔稳定器凹部和凹腔稳定器下游凸部；
所述凹腔稳定器上游凸部、凹腔稳定器凹部、凹腔稳定器下游凸部依据气流方向确定；
所述直射喷嘴安装于凹腔稳定器上游凸部；
所述圆角矩形滑动弧放电激励器按照设定位置分别安装于凹腔稳定器上游凸部、凹腔稳定器凹部和凹腔稳定器下游凸部；
所述圆角矩形滑动弧放电激励器均安装于所述若干直射喷嘴的下游。
优选的，所述圆角矩形滑动弧放电激励器包括由内层到外层依次设置的金属电极、陶瓷、金属圆角矩形弧轨；
所述金属电极与所述陶瓷之间、所述陶瓷与所述金属圆角矩形弧轨之间采用金属陶瓷焊接法进行固定。
优选的，所述金属电极为圆柱形金属电极。
优选的，所述金属圆角矩形弧轨包括两端的两个半圆弧形轨和中间的矩形弧轨；
所述圆柱形金属电极的圆心与其中一个所述半圆弧形轨的圆心重合。
优选的，所述若干圆角矩形滑动弧放电激励器并联，并均电连接于滑动弧电源；
每一个所述圆角矩形滑动弧放电激励器的并联支路均包括：所述圆角矩形滑动弧放电激励器通过电容与滑动弧电源电性连接。
优选的，所述若干直射喷嘴沿凹腔稳定器的展向等间距分布安装。
优选的，所述金属电极采用耐高温、耐高电压的金属材料；所述金属圆角矩形弧轨采用耐高温金属材料。
一种增强燃油喷雾特性和化学活性的方法，包括以下步骤：
S1：根据流场特性实验、数值仿真方法以及燃烧室进口流场条件确定凹腔稳定器的长度、高度以及长高比；
S2：根据超声速燃烧室在不同来流马赫数下点火与火焰稳定的需求，在凹腔稳定器上游凸部、凹腔稳定器凹部和凹腔稳定器下游凸部分别安装相应数量的圆角矩形滑动弧放电激励器，并将安装的圆角矩形滑动弧放电激励器通过电容并联连接于滑动弧电源；
S3：采用金属陶瓷焊接法将圆角矩形滑动弧放电激励器的金属电极与陶瓷之间、陶瓷与金属圆角矩形弧轨之间进行固定；
S4：采用不同的电源电压和电源频率组合进行实验，获取相应的凹腔稳定器下游凸部的气态组分数据和燃油粒径数据；
S5：以燃油粒径相对最小和气态组分含量相对最高为约束条件，输出该约束条件下的电源频率及电源电压。
优选的，安装于凹腔稳定器凹部的圆角矩形滑动弧放电激励器沿流向布置。
优选的，所述滑动弧电源采用工作电压和频率可调的低温等离子体电源。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种增强凹腔稳定器燃油喷雾特性和化学活性的装置及方法，在不显著改变燃烧室结构的前提下，利用等离子技术可以显著增强低温低压条件下的凹腔稳定器的燃油喷雾特性与化学活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明某一实施例提供的装置示意图。
1:直射喷嘴；2：圆角矩形滑动弧放电激励器；3：凹腔稳定器；4：燃油喷雾；f：气流方向。
图2为本发明若干圆角矩形滑动弧放电激励器的电路连接图；
5：金属电极；6：陶瓷；7：金属圆角矩形弧轨；8:电容；9:滑动弧电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种增强燃油喷雾特性和化学活性的装置，包括：
一个凹腔稳定器、若干直射喷嘴和若干圆角矩形滑动弧放电激励器；
所述凹腔稳定器包括凹腔稳定器上游凸部，凹腔稳定器凹部和凹腔稳定器下游凸部；
所述凹腔稳定器上游凸部、凹腔稳定器凹部、凹腔稳定器下游凸部依据气流方向确定；
所述直射喷嘴安装于凹腔稳定器上游凸部；
进一步的，所述若干直射喷嘴沿凹腔稳定器的展向等间距分布安装。
所述圆角矩形滑动弧放电激励器按照设定位置分别安装于凹腔稳定器上游凸部、凹腔稳定器凹部和凹腔稳定器下游凸部；所述圆角矩形滑动弧放电激励器均安装于所述若干直射喷嘴的下游。
进一步的，所述圆角矩形滑动弧放电激励器包括由内层到外层依次设置的金属电极、陶瓷、金属圆角矩形弧轨；
所述金属电极与所述陶瓷之间、所述陶瓷与所述金属圆角矩形弧轨之间采用金属陶瓷焊接法进行固定。
进一步的，所述金属电极为圆柱形金属电极。
进一步的，所述金属圆角矩形弧轨包括两端的两个半圆弧形轨和中间的矩形弧轨；
所述圆柱形金属电极的圆心与其中一个所述半圆弧形轨的圆心重合。
进一步的，所述若干圆角矩形滑动弧放电激励器并联，并均电连接于滑动弧电源；
每一个所述圆角矩形滑动弧放电激励器的并联支路均包括：所述圆角矩形滑动弧放电激励器通过电容与滑动弧电源电性连接。
进一步的，所述金属电极采用耐高温、耐高电压的金属材料；所述金属圆角矩形弧轨采用耐高温金属材料。
需要说明之处：本发明将金属圆角矩形弧轨设计为图2中的形状主要有两个原因。其一：此形状下的电极与同心半圆形弧轨间距(即展向最短间距L1)较小，有利于放电击穿形成电弧；其二：电弧可在矩形弧轨上滑动形成滑动弧放电，增加了电弧放电功率，有利于增强燃油喷雾特性及化学活性。
在某一实施例中，所述凹腔稳定器为二元超声速燃烧室的火焰稳定装置所述凹腔稳定器采用304不锈钢板材制成，所述金属电极采用钨铜合金，所述陶瓷采用A-95陶瓷；
在本实施例中，所述凹腔稳定器的展向宽度设为55mm，长高比L/H为9。
在本实施例中，为保证燃油喷雾具有足够穿透深度，且油气比处于化学恰当比，所述直射喷嘴的直径设为0.6mm，直射喷嘴的数量设为3个，且3个直射喷嘴呈等间距对称分布。
在本实施例中，所述滑动弧电源采用工作电压和频率均可调的苏曼低温等离子体电源。所述苏曼低温等离子体电源输出交流电压范围为0-20kV，频率范围为5-20kHz。
在本实施例中，所述圆角矩形滑动弧放电激励器的直径d为14-20mm，所述金属电极的直径为1-3mm，优选为1.5mm。所述金属电极与所述金属圆角矩形弧轨的展向电极间隙L1长度为2-4mm，优选为3mm；流向电极间隙L2长度为6-12mm，优选为8mm。
在本实施例中，如图1所示，所述圆角矩形滑动弧放电激励器共安装有7个。
安装方法为：在凹腔稳定器的上游凸部、凹部以及下游凸部开7个螺纹孔-用于安装所述圆角矩形滑动弧放电激励器，其安装方式与常规传统火花塞相同。安装过程确保：在激励器的放电一端，为了保证激励器不影响凹腔内部流场，设置金属电极放电端面、陶瓷表面、金属圆角矩形弧轨表面和凹腔稳定器的下壁面保持平齐；在激励器的尾部一端，为了便于绝缘和导线的引出，设置陶瓷的长度略长于金属圆角矩形弧轨的长度，金属电极的长度略长于陶瓷的长度。
安装位置：第一个圆角矩形滑动弧放电激励器和第二个圆角矩形滑动弧放电激励器位于凹腔稳定器上游凸部并沿凹腔稳定器展向均匀分布(即2个圆角矩形滑动弧放电激励器将凹腔稳定器上游凸部展向宽度三等分)，第三个圆角矩形滑动弧放电激励器、第四个圆角矩形滑动弧放电激励器和第五个圆角矩形滑动弧放电激励器位于凹腔稳定器凹部，并沿流向均匀分布(即3个圆角矩形滑动弧放电激励器将凹腔稳定器凹部长度L四等分)。第六个圆角矩形滑动弧放电激励器和第七个圆角矩形滑动弧放电激励器位于凹腔稳定器下游凸部并沿凹腔稳定器展向均匀分布(即2个圆角矩形滑动弧放电激励器将凹腔稳定器下游凸部展向宽度三等分)。
在本实施例中，所述7个圆角矩形滑动弧放电激励器通过电容并联连接于所述滑动弧电源。
本实施例中，第一个和第二个圆角矩形滑动弧放电激励器的圆心距凹腔前缘距离L3为8-30mm，优选为15mm。第六个和第七个圆角矩形滑动弧放电激励器的圆心距凹腔后缘距离L4为6-30mm，优选为10mm。`
在本实施例中，7个圆角矩形滑动弧放电激励器的作用和效果如下：
作用：7个圆角矩形滑动弧放电激励器的金属电极与金属圆角矩形弧轨之间在滑动弧电源的激励下均发生击穿，产生了7个稳定的放电等离子体通道(具体过程如下：滑动弧电源提供交流高电压，电流经过电容后，在激励器的金属电极与金属圆角矩形弧轨电极之间产生强电场，金属电极与金属圆角矩形弧轨电极在最短间隙处被击穿，产生滑动弧放电等离子体-即一个稳定的放电等离子体通道形成。)。其中,布置于凹腔稳定器上游凸部的2个圆角矩形滑动弧放电激励器可以裂解从直射喷嘴横向喷出的液态燃油喷雾，使燃油大分子被裂解活化，成为化学活性更高的气态粒子或者活性基团。布置于凹腔稳定器凹部且沿流向分布的3个圆角矩形滑动弧放电激励器可以起到凹腔点火、火焰稳定以及防止熄火的作用。布置于凹腔稳定器下游凸部的2个圆角矩形滑动弧放电激励器：可以强化凹腔剪切层内的火焰燃烧，使得燃烧室能够在不同来流马赫数下维持高效稳定燃烧，增加推进性能。
效果：所述7个稳定的放电等离子体通道内产生的热效应、化学效应与输运效应，可以显著增强凹腔稳定器燃油喷雾特性与化学活性。
具体增强过程如下：
1：热效应：放电等离子体通道内产生的热效应将释放出大量热量，释放的大量热量将对喷雾中的液滴以及周围气体进行加热，加热的过程中燃油液滴的密度、粘度及表面张力将会随之降低，燃油雾化蒸发的速率将会得到进一步提高。与此同时，加热的过程中喷雾内气体及周围气体的温度均会有不同程度的升高，气体与液体之间的对流及传导换热的相互作用也会增强，从而可以有效降低喷雾液滴的平均直径。
2：化学效应：激励器电离产生的激发态粒子将燃油大分子裂解生成H2、C2H4和C2H2等高化学活性的气态小分子，这些高化学活性的气态小分子有助于燃油点火、促进燃油高效燃烧-即增强了燃油的化学活性。
3：输运效应：激励器放电产生的输运效应增强了来流的湍流强度，促进了燃油与气体的掺混，有利于装置从周围环境中卷吸更多气体到喷雾中，有效增大了喷雾锥角。喷雾锥角的增大反过来又有助于增大燃油液滴与周围气体之间的相对运动速度，从而又降低了燃油液滴的平均直径。
由此可见，本发明提供的装置可以显著增强凹腔稳定器的燃油喷雾特性与化学活性。
一种增强燃油喷雾特性和化学活性的方法，包括以下步骤：
S1：根据流场特性实验、数值仿真方法以及燃烧室进口流场条件确定凹腔稳定器的长度、高度以及长高比；
S2：根据超声速燃烧室在不同来流马赫数下点火与火焰稳定的需求，在凹腔稳定器上游凸部，凹腔稳定器凹部和凹腔稳定器下游凸部分别安装相应数量的圆角矩形滑动弧放电激励器，并将安装的圆角矩形滑动弧放电激励器通过电容并联连接于滑动弧电源；
进一步的，安装于凹腔稳定器凹部的圆角矩形滑动弧放电激励器沿流向布置。
进一步的，所述滑动弧电源采用工作电压和频率可调的低温等离子体电源。
S3：采用金属陶瓷焊接法将圆角矩形滑动弧放电激励器的金属电极与陶瓷之间、陶瓷与金属圆角矩形弧轨之间进行固定；
S4：采用不同的电源电压和电源频率组合进行实验，获取相应的凹腔稳定器下游凸部的气态组分数据和燃油粒径数据；
S5：以燃油粒径相对最小和气态组分含量相对最高为约束条件，输出该约束条件下的电源频率及电源电压。
在某一实施例中，具体实施方案包括以下步骤：
步骤1：在凹腔稳定器下游凸部布置取样探针用于采集气态组份数据，设置电源电压为10KV，电源频率为5kHz。
步骤2：打开电源进行放电，将取样探针采集得到的气态产物用气象色谱仪进行分析得到裂解率及组分选择性等裂解参数。
步骤3：电压维持10KV不变，将频率分别更改为10kHz、15kHz和20kHz，重复上步骤2；
步骤4：将电源电压分别更改为12KV、14KV、16KV、18KV和20KV,针对每一次更改后的电源电压重复步骤1-步骤4；
步骤5：利用粒径测试系统分别对5kHz、10kHz、15kHz和20kH频率下的雾化场分布进行测量，以获得对应频率下的燃油液滴尺寸分布及平均直径。
步骤6：选取燃油粒径相对最小和气态组分含量相对最高的频率及电压作为最终方案。
本发明进行了无激励和有激励的对比实验，当燃烧室进口气流总温为717K，总压为0.37Mpa，速度为2Ma时，无激励作用下的燃油液滴的索特平均直径为69μm，气态裂解组分中氢气含量为23268ppm，施加激励以后，燃油液滴的索特平均直径减小为52μm，减小约24.6％，气态裂解组分中的氢气含量增加为35095ppm，增加约50.8％。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种增强凹腔稳定器燃油喷雾特性和化学活性的装置及方法，在不显著改变燃烧室结构的前提下，利用等离子技术可以显著增强低温低压条件下的凹腔稳定器的燃油喷雾特性与化学活性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种增强燃油喷雾特性和化学活性的装置，其特征在于，包括：一个凹腔稳定器、若干直射喷嘴和若干圆角矩形滑动弧放电激励器；
所述凹腔稳定器包括凹腔稳定器上游凸部，凹腔稳定器凹部和凹腔稳定器下游凸部；
所述凹腔稳定器上游凸部、凹腔稳定器凹部、凹腔稳定器下游凸部依据气流方向确定；
所述直射喷嘴安装于凹腔稳定器上游凸部；
所述圆角矩形滑动弧放电激励器按照设定位置分别安装于凹腔稳定器上游凸部、凹腔稳定器凹部和凹腔稳定器下游凸部；
所述圆角矩形滑动弧放电激励器均安装于所述若干直射喷嘴的下游。
2.根据权利要求1所述的增强燃油喷雾特性和化学活性的装置，其特征在于，
所述圆角矩形滑动弧放电激励器包括由内层到外层依次设置的金属电极、陶瓷、金属圆角矩形弧轨；
所述金属电极与所述陶瓷之间、所述陶瓷与所述金属圆角矩形弧轨之间采用金属陶瓷焊接法进行固定。
3.根据权利要求2所述的增强燃油喷雾特性和化学活性的装置，其特征在于，
所述金属电极为圆柱形金属电极。
4.根据权利要求3所述的增强燃油喷雾特性和化学活性的装置，其特征在于，
所述金属圆角矩形弧轨包括两端的两个半圆弧形轨和中间的矩形弧轨；
所述圆柱形金属电极的圆心与其中一个所述半圆弧形轨的圆心重合。
5.根据权利要求1所述的增强燃油喷雾特性和化学活性的装置，其特征在于，
所述若干圆角矩形滑动弧放电激励器并联，并均电连接于滑动弧电源；
每一个所述圆角矩形滑动弧放电激励器的并联支路均包括：所述圆角矩形滑动弧放电激励器通过电容与滑动弧电源电性连接。
6.根据权利要求1所述的增强燃油喷雾特性和化学活性的装置，其特征在于，
所述若干直射喷嘴沿凹腔稳定器的展向等间距分布安装。
7.根据权利要求2所述的增强燃油喷雾特性和化学活性的装置，其特征在于，
所述金属电极采用耐高温、耐高电压的金属材料；
所述金属圆角矩形弧轨采用耐高温金属材料。
8.一种增强燃油喷雾特性和化学活性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据流场特性实验、数值仿真方法以及燃烧室进口流场条件确定凹腔稳定器的长度、高度以及长高比；
S2：根据超声速燃烧室在不同来流马赫数下点火与火焰稳定的需求，在凹腔稳定器上游凸部，凹腔稳定器凹部和凹腔稳定器下游凸部分别安装相应数量的圆角矩形滑动弧放电激励器，并将安装的圆角矩形滑动弧放电激励器通过电容并联连接于滑动弧电源；
S3：采用金属陶瓷焊接法将圆角矩形滑动弧放电激励器的金属电极与陶瓷之间、陶瓷与金属圆角矩形弧轨之间进行固定；
S4：采用不同的电源电压和电源频率组合进行实验，获取相应的凹腔稳定器下游凸部的气态组分数据和燃油粒径数据；
S5：以燃油粒径相对最小和气态组分含量相对最高为约束条件，输出该约束条件下的电源频率及电源电压。
9.根据权利要求8所述的增强燃油喷雾特性和化学活性的方法，其特征在于，安装于凹腔稳定器凹部的圆角矩形滑动弧放电激励器沿流向布置。
10.根据权利要求8所述的增强燃油喷雾特性和化学活性的方法，其特征在于，所述滑动弧电源采用工作电压和频率可调的低温等离子体电源。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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